基于CAN總線的電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的研究

劉永剛云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于CAN總線的電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的研究

劉永剛
云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

CAN總線是汽車控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，研究CAN總線通信技術(shù)在電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用有利于提高通信的實(shí)時(shí)性、靈活性和系統(tǒng)的可靠性。

CAN總線；電動(dòng)汽車；控制系統(tǒng)

一、前言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，化石能源也在日益枯竭。憑借環(huán)保節(jié)能的顯著優(yōu)勢(shì)，電動(dòng)汽車的研制成為了國(guó)內(nèi)外各大科研機(jī)構(gòu)研究的焦點(diǎn)。CAN總線已成為汽車控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，用來(lái)傳輸控制信號(hào)，控制機(jī)械傳動(dòng)裝置的有序運(yùn)轉(zhuǎn)。本文對(duì)電動(dòng)汽車的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了一種基于CAN總線的電動(dòng)汽車控制方案，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車主控制器與電機(jī)控制器之間的通信。

二、控制局域網(wǎng)CAN總線工作原理

CAN總線通過(guò)串行的方式傳輸數(shù)據(jù)，傳輸速率可達(dá)1Mb/s，其通信協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)主控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。與協(xié)議不同，無(wú)論CAN總線的哪一個(gè)站發(fā)送數(shù)據(jù)，控制局域網(wǎng)中的其它節(jié)點(diǎn)都能接收到該節(jié)點(diǎn)發(fā)出的報(bào)文，不管該報(bào)文是否是發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的。報(bào)文按照面向內(nèi)容的方案編址，其標(biāo)識(shí)符是每組數(shù)據(jù)的前11位字符，不同節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文有不同的標(biāo)識(shí)符，這些字符也定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，在幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)出讀數(shù)請(qǐng)求時(shí)，用來(lái)配置總線的讀取順序。

若控制局域網(wǎng)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)要向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文，這個(gè)節(jié)點(diǎn)的CPU向其CAN芯片傳輸待發(fā)送數(shù)據(jù)及標(biāo)識(shí)符，使CAN芯片處于準(zhǔn)備狀態(tài)。根據(jù)總線的指令，當(dāng)總線響應(yīng)該節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求時(shí)，立即將報(bào)文通過(guò)總線發(fā)出，同時(shí)控制局域網(wǎng)中的其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)為接收?qǐng)?bào)文的狀態(tài)。接收狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)判斷其接收的報(bào)文是否是發(fā)送給自己的，然后決定是否響應(yīng)該報(bào)文的信息。

報(bào)文按照面向內(nèi)容的方案編寫(xiě)地址，故CAN總線可以很容易的建立并配置高水平的控制系統(tǒng)，這也使維護(hù)人員能夠輕易地添加新的節(jié)點(diǎn)，而不必修改CAN總線相關(guān)的硬件和軟件。如果添加的新站只負(fù)責(zé)報(bào)文的接收，那么就不必按照其CAN協(xié)議設(shè)置獨(dú)立的物理目的地址。

三、電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)主要由電源、電機(jī)控制器和主控制器組成。72V的電源為整個(gè)控制系統(tǒng)提供電力，電池的輸出端與電機(jī)的供電線相連接。由于控制系統(tǒng)中的各個(gè)芯片的供電電壓均為12V或5V的低電壓，故使用直流/直流的反激式電源將蓄電池的高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓。主控制器主要負(fù)責(zé)采集輸入信號(hào)，運(yùn)行控制程序，通過(guò)CAN總線完成與電機(jī)控制器之間的通信，由電機(jī)控制器控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小。

電動(dòng)其控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)部分和軟件設(shè)計(jì)部分。蓄電池向反激式電源提供72V的直流電，經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換得到兩路低電壓，其中5V的直流電壓加到主控制器和電機(jī)控制器上，12V的直流電壓加到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上。模數(shù)轉(zhuǎn)換接口和輸入輸出接口用來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)，主控制器由CAN總線完成與電機(jī)控制器的通信，然后電機(jī)控制器輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

四、電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

電源模塊是電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)硬件的重要組成部分，負(fù)責(zé)將蓄電池72V的高電壓轉(zhuǎn)化為5V和12V的低電壓。由于控制系統(tǒng)需要的電流較大，并且控制芯片和控制器與電源之間存在較大的電壓差，故使用線性降壓芯片不可行，需采用高頻變壓器的電源設(shè)計(jì)方案。控制系統(tǒng)采用電源型電流芯片，選用儲(chǔ)能能力較強(qiáng)的變壓器和耐壓能力好的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，并使用基準(zhǔn)源、線性光耦作為控制系統(tǒng)的反饋部分。在反饋電路中，使用導(dǎo)型運(yùn)放，將5V輸出分壓后加到基準(zhǔn)源上，差模電壓經(jīng)放大后轉(zhuǎn)化為電流的形式輸出。基準(zhǔn)源與線性光耦連接，線性光耦又與電源芯片連接，從而使電源模塊輸出低電壓。基準(zhǔn)源與二維補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接，降低了濾波器和輸出電容帶來(lái)的誤差，提高了電源的響應(yīng)速度。

控制模塊是電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心。電動(dòng)汽車的控制系統(tǒng)采用MCU來(lái)管理系統(tǒng)的各個(gè)組成部分。電動(dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)和轉(zhuǎn)向燈的控制開(kāi)關(guān)采用數(shù)字信號(hào)來(lái)控制，先經(jīng)過(guò)分壓再經(jīng)過(guò)濾波就可以連接到微控制器的I/O口，完成數(shù)字信號(hào)的檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)脈沖就可以測(cè)得車輛的行駛速度。方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向、油門(mén)和剎車踏板的轉(zhuǎn)矩、溫度的檢測(cè)通過(guò)模擬信號(hào)來(lái)控制。由于模擬信號(hào)的大小不等，故不能直接與微控制器連接，需要將較高的電壓先經(jīng)分壓轉(zhuǎn)為較低的電壓，再經(jīng)過(guò)濾波后連接到電壓跟隨器，從而保證輸入模擬信號(hào)的準(zhǔn)確。基于CAN總線的通信電路部分，選用TI公司的隔離型CAN芯片，用3.3V和5V兩路電壓給CAN芯片供電，并在CAN總線的差分線間連接終端電阻。

五、電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的分配和計(jì)算的功能。當(dāng)電動(dòng)汽車直線行駛時(shí)，應(yīng)該將轉(zhuǎn)矩平均分配到驅(qū)動(dòng)電機(jī)上；當(dāng)電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，為實(shí)現(xiàn)差速控制，應(yīng)該給驅(qū)動(dòng)電機(jī)分配不同的轉(zhuǎn)矩。主控制器采集車速信號(hào)、加速踏板信號(hào)和轉(zhuǎn)向信號(hào)，在需要轉(zhuǎn)向時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)計(jì)算出各驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要分配的轉(zhuǎn)矩。

通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)主控制器和電機(jī)控制器之間基于CAN通信協(xié)議的通信功能。使用指針來(lái)建立變量和字典之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，使控制代碼能夠從協(xié)議索引查詢字典。MCU有一定數(shù)量的站，每個(gè)站都可以用于報(bào)文的發(fā)送和接收。接收過(guò)濾器可以使站接收固定標(biāo)識(shí)符的信息。當(dāng)站接收到符合過(guò)濾條件的報(bào)文后，將報(bào)文存儲(chǔ)到寄存器中，觸發(fā)中斷并由中斷函數(shù)處理。不同形式的報(bào)文對(duì)應(yīng)不同的報(bào)文發(fā)送函數(shù)，由底層的報(bào)文發(fā)送函數(shù)將報(bào)文存儲(chǔ)到站中，并完成報(bào)文的發(fā)送。

通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車主控制器的控制功能，分為信號(hào)采樣分析程序、總線通信程序、電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配程序三部分。給系統(tǒng)供電后，首先完成系統(tǒng)各部分的初始化，初始化完成后執(zhí)行被控制部分的程序。執(zhí)行總線通信程序，搭建整個(gè)系統(tǒng)之間的CAN通信網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入等待狀態(tài)。在等待期間，MCU不斷掃描控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，執(zhí)行電機(jī)運(yùn)行程序，控制執(zhí)行電機(jī)按預(yù)定的指令運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。

六、結(jié)論與展望

本文首先介紹了CAN總線的工作原理，然后介紹了基于CAN總線的電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)CAN總線技術(shù)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的推廣應(yīng)用有一定的促進(jìn)作用。

[1]梁潔.基于CAN總線的電動(dòng)汽車通信顯示系統(tǒng)的研制[D].北京交通大學(xué),2007.

[2]周智慶.基于CAN總線電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[D].重慶大學(xué),2008.

[3]寧濤.基于CAN總線的汽車控制系統(tǒng)的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2013.

劉永剛，云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，碩士，研究方向，機(jī)械電子工程。